Układ napędowy każdej maszyny budowlanej musi charakteryzować się przede wszystkim trwałością i wytrzymałością, aby sprostać procesowi wielogodzinnej, intensywnej eksploatacji, często w warunkach wymagających szczególnej odporności. W cięższych maszynach budowlanych, takich jak koparko-ładowarki, układy napędowe wprawiane są w ruch przy pomocy przekładni hydraulicznych, których odporność na przeciążenia pozwala na przenoszenie wysokiej mocy.
Rodzaje układów napędowych w maszynach budowlanych
Maszyny budowlane napędzane są głównie przy pomocy przekładni hydraulicznych, które cechują się ogromną wytrzymałością na przeciążenia i możliwością przenoszenia wysokiego momentu obrotowego. Ich rozmiar i ciężar nie stanowią ograniczenia, dlatego chętnie stosuje się je w ciężkich maszynach budowlanych.
Napęd hydrostatyczny
Istotą napędu hydrostatycznego jest wykorzystanie ciekłej substancji jako nośnika energii hydraulicznej. Energia jest wytwarzana w generatorze (pompie) i konwertowana na energię mechaniczną w silniku hydraulicznym. Jako cieczy używa się oleju lub emulsji oleju w wodzie. Na cały układ składają się pompy, które mają możliwość zmiany kierunku przepływu oleju, oraz silnik hydrauliczny.
Czym jest przekładnia hydrostatyczna?
W układzie zamkniętym pompa pobiera olej, który wraca z hydromotoru, i cyrkuluje go. Przekładnia hydrostatyczna pobiera olej za pośrednictwem przewodów przez zawór sterujący. Zbiornik oleju pełni funkcję rezerwuaru i miejsca poboru przecieków. System działa prawidłowo, jeśli pompa utrzymuje ciśnienie na poziomie od 10 do 30 barów. Układ otwarty korzysta z głównej pompy osprzętu, a nie z dedykowanej pompy napędu.
Układy hydrostatyczne - wady i zalety
Napęd hydrostatyczny to prosta metoda zamiany ruchu obrotowego na ruch postępowo-zwrotny, przy pomocy siłowników. Siły uzyskane w ten sposób są ogromne, a maksymalny skok siłownika jest ograniczony właściwie wyłącznie możliwościami wykonawczymi. Napęd hydrostatyczny posiada również zdolność zatrzymania się w dowolnie wybranym położeniu, a przy użyciu odpowiedniego układu regulacji można osiągnąć bardzo wysoką dokładność pozycjonowania. Charakterystyka układu hydrostatycznego pozwala na całkowite pozbycie się dźwignic czy hamulca (stosuje się go wyłącznie jako system bezpieczeństwa).
Wadą układu hydrostatycznego są ograniczenia pochodzące od silnika, które dyktują sprawność całego układu. Ponadto, ze względu na korzystanie z cieczy jako czynnika napędowego, jej zbiornik znacznie zwiększa masę całego urządzenia. Musi być ona również utrzymana w odpowiedniej temperaturze, stąd konieczność stosowania urządzeń grzewczych i chłodzących. Nieuniknione wycieki z układu są nieestetyczne i obniżają higienę oraz bezpieczeństwo pracy.
Napęd hydrokinetyczny
Przekładnia hydrokinetyczna to zamknięty w jednej obudowie zestaw odpowiednio wyprofilowanych łopatek, które przenoszą moment obrotowy bezstykowo, za pomocą krążącego oleju. Ciecz zasysana jest ze zbiornika i przetaczana do dyfuzora, dzięki czemu zyskuje energię kinetyczną.
Czym jest przekładnia hydrokinetyczna?
Przekładnia zbudowana jest z turbiny, która nadaje ruch cieczy w kierunku łopatek obudowy. Przez zmiennik momentu uzyskujemy możliwość zmiany parametrów przenoszonego momentu obrotowego. Wzrost obciążenia powoduje spadek obrotów, a to z kolei wywołuje przenoszenie wyższego momentu. Przekładnie takie są szeroko stosowane w większości samochodowych skrzyń automatycznych, jak również w maszynach budowlanych, takich jak spychacze czy ładowarki.
Przekładnia hydrokinetyczna współpracuje ze skrzynią biegów, ponieważ sam zmiennik obrotów ma za mały zakres przełożenia.
Układy hydrokinetyczne - wady i zalety
Zaletą napędu hydrokinetycznego jest brak sztywnego połączenia, dzięki czemu można przenieść ogromne siły bez przeciążenia układu napędowego. Ma również większą trwałość, nawet przy dużych obciążeniach, a podczas normalnej pracy nie obciąża nadmiernie pozostałych elementów układu przeniesienia napędu.
Na minusy składają się mniejsza sprawność takiego rozwiązania. Przekładnia taka pracuje przez ciągły poślizg, co skutkuje większym zużyciem paliwa. Rozmiar takiego napędu jest również większy od alternatywnych rozwiązań. W trakcie pracy generuje ona dużo ciepła, przez co wymaga dodatkowego chłodzenia.
Przekładnia hydromechaniczna
Przekładnia hydromechaniczna łączy zalety układu hydrokinetycznego i hydrostatycznego, stosując w swojej budowie system hydrostatyczny oraz mechaniczny. Napęd przekazywany może być oddzielnie lub łącznie, a moc wyjściowa jest sumowana na wał napędowy. Praca całego układu sterowana jest elektronicznie. Napęd ten wykorzystuje się podczas jazdy z wysoką siłą napędową, ale z niskimi prędkościami jazdy.
Skrzynia biegów - kluczowy element układu napędowego
Skrzynia biegów stanowi istotny element wielu pojazdów i maszyn. Bez niej moc generowana przez silnik nie docierałaby do kół w kontrolowany i zoptymalizowany sposób. Znaczenie skrzyni biegów jest jeszcze większe w małych maszynach do robót ziemnych, takich jak koparko-ładowarki, ponieważ oprócz przenoszenia mocy silnika na koła, zapewnia ona także dostarczanie tej mocy do elementów hydraulicznych ramienia ładowarki i koparki.
Skrzynia biegów utrzymuje koparko-ładowarkę w ruchu. Jako część układu napędowego maszyny, który zaczyna się od silnika, a kończy na kołach, skrzynia biegów zapewnia dostarczanie mocy silnika tam, gdzie jest potrzebna, w kontrolowany i zoptymalizowany sposób. Z jednej strony oznacza to przenoszenie mocy na koła, kontrolę prędkości oraz zapewnienie płynnego ruchu, stabilności i bezpieczeństwa. Z drugiej strony skrzynia biegów jest również niezbędna do prac ziemnych koparko-ładowarki.
Ręczna skrzynia biegów kontra automatyczna skrzynia biegów
Większość modeli koparko-ładowarek jest wyposażona w ręczną lub automatyczną skrzynię biegów.
Ręczna skrzynia biegów
Ten typ skrzyni biegów jest najbardziej znany i nadal szeroko stosowany, choć w coraz mniejszej liczbie maszyn. Ręczna skrzynia biegów składa się z dwóch osi połączonych ze sobą zestawami kół zębatych. Każdy zestaw kół zębatych ma własne przełożenie, które określa końcowe przełożenie prędkości obrotowej silnika na prędkość obrotową kół.
Automatyczna skrzynia biegów
Ze względu na łatwość obsługi, automatyczne skrzynie biegów stają się coraz bardziej popularne. Ich konstrukcja jest jednak bardziej złożona. W odróżnieniu od ręcznej skrzyni biegów, przełożenia w automatycznej skrzyni biegów tworzy przez ten sam zestaw kół zębatych: przekładnia planetarna.
Przekładnia planetarna stanowi serce automatycznej skrzyni biegów, a wszystkie inne elementy skrzyni biegów wspierają ją w pracy. Na przykład blok zaworów hydraulicznych, który można uznać za mózg automatycznej skrzyni biegów, odpowiada za poszczególne biegi/przełożenia przekładni planetarnej. Blok zaworów hydraulicznych składa się z labiryntu kanałów, którymi płyn przekładniowy przepływa przez zawory.
Mechanizm różnicowy
Kolejną istotną częścią układu napędowego jest mechanizm różnicowy. Również ten element jest częścią mechanizmu, który przekształca moc silnika w moment obrotowy potrzebny do napędzania kół. Ilość mocy przenoszonej na koła zależy od przyczepności kół na podłożu.
Dodatkowo mechanizm różnicowy umożliwia obracanie się kół z różną prędkością, co jest niezbędne podczas pokonywania zakrętów. Bez mechanizmu różnicowego koła obracałyby się stale z tą samą prędkością, co zwykle nie dzieje się podczas skręcania, a na oś działałyby duże obciążenia.
Mechanizm różnicowy w koparko-ładowarkach
W koparko-ładowarce z napędem na dwa koła mechanizm różnicowy znajduje się pomiędzy dwoma napędzanymi kołami. Koparko-ładowarka z napędem na cztery koła jest nieco bardziej skomplikowana. Ten typ ma mechanizm różnicowy pomiędzy każdym zestawem napędzanych kół, ale istnieje również mechanizm różnicowy między przednimi i tylnymi kołami. Jest to konieczne, ponieważ przednie koła pokonują na zakrętach inną odległość niż koła tylne.
Blokada mechanizmu różnicowego
Gdy podczas ciężkiej pracy w terenie jedno z napędzanych kół znajdzie się w powietrzu, całkowicie traci przyczepność, co skutkuje brakiem wystarczającej mocy dla drugiego napędzanego koła, aby poruszyć maszynę. Rozwiązaniem tego problemu jest blokada mechanizmu różnicowego. Mechanizm ten operator może uruchamiać ręcznie - chociaż dostępne są również wersje automatyczne - i zapewnia równomierny podział mocy na wszystkie koła, nawet te pozbawione przyczepności.
Części zamienne i konserwacja
Ponieważ skrzynia biegów stanowi integralną część koparko-ładowarki, wszystkie jej części powinny być w doskonałym stanie, aby zapewnić optymalną wydajność maszyny. Układy napędowe w maszynach budowlanych są mocno eksploatowane, pracują w trudnych warunkach, często bez przerwy przez wiele godzin, muszą wytrzymać ogromne przeciążenia i pracować cały czas w szczycie swojej wytrzymałości. Układy mechaniczne nie sprostałyby takiemu zadaniu.
Mimo wielu osiągnięć w dziedzinie techniki, układy napędowe wciąż są narażone na uszkodzenia ze względu na trudne warunki pracy, a czasem także zaniedbania ze strony użytkowników. Aby zapobiec awariom, opóźnieniom w pracy oraz wydatkom na naprawę, warto zainwestować w profesjonalne przeglądy techniczne maszyn budowlanych.